WO2004027406A1 - Sensor und verfahren - Google Patents

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WO2004027406A1
WO2004027406A1 PCT/DE2003/000632 DE0300632W WO2004027406A1 WO 2004027406 A1 WO2004027406 A1 WO 2004027406A1 DE 0300632 W DE0300632 W DE 0300632W WO 2004027406 A1 WO2004027406 A1 WO 2004027406A1
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WO
WIPO (PCT)
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heat
sensor
heat source
fastening means
coupling
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/000632
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English (en)
French (fr)
Inventor
Isolde Simon
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to EP03717117A priority Critical patent/EP1543318A1/de
Publication of WO2004027406A1 publication Critical patent/WO2004027406A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention is based on a sensor according to the preamble of the main claim.
  • the method of thermal conductivity measurement for gas analysis is a known method.
  • quantitative analyzes of two-component gas mixtures can be carried out, the components of which are known.
  • a heated body is generally used, the heat losses of which are largely determined by heat dissipation by the surrounding gas.
  • the heating power P which is necessary to bring the body to a certain temperature with a temperature difference from the ambient temperature, thus becomes a direct measure of the thermal conductivity of the gas surrounding the body.
  • Dielectric membranes that are generated by silicon MÜCTomechanik processes can advantageously serve as the basis for heating resistors, since they have a short response time, a small size and can be manufactured using batch processes.
  • the sensor according to the invention and the method according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that the sensor signal depends to a greater extent only on the thermal conductivity of the gas surrounding the heated body. More generally speaking, the advantage of the invention is that the sensor signal essentially depends only on the heat transfer between the heated body and the surrounding gas.
  • a problem with the evaluation of sensors according to the prior art is that the sensor signal of the known thermal conductivity sensors depends not only on the thermal conductivity of the gas surrounding the heated body, but also on the heat dissipation via the holders of the heated body and on the radiation. This situation is shown in FIG. 1 for a thermal conductivity sensor with a dielectric membrane.
  • the heating power P which is required to heat the heated body to an excess temperature of ⁇ T, can be simply written as
  • ⁇ gas and ⁇ M e mb ⁇ m denote the thermal conductivities of the gas or the membrane.
  • G gas and G membrane denote the associated geometry factors and ⁇ x denotes the heat losses due to convection and radiation, which can usually be neglected.
  • This formula clearly shows that an absolute measurement of thermal conductivity is only possible if the heat losses that are not caused by thermal conduction through the surrounding gas are known or can be reduced to a negligible extent and the geometry factor G GaS is known , In the known thermal conductivity sensors of the prior art, however, these conditions are not met because, for example, the heat losses which are not caused by the thermal conduction to the surrounding gas are mixed with the heat given off to the gas.
  • the advantage of the sensor according to the invention and the method according to the invention is to propose a suitable robust sensor element with the aid of which a rapid absolute measurement of the thermal conductivity of a gas is possible.
  • a further advantage is that, regardless of the thermal conductivity of a gas, the absolute measurement of a heat transfer between a heat source and this heat source is generally carried out by means of the sensor or the method according to the invention surrounding medium is possible.
  • This is made possible according to the invention by evaluating a difference signal from two heat sources operated in parallel and corresponding media, the difference signal not depending on the heat dissipation through the membrane, but only on the heat dissipation to the surrounding gas, the excess temperature and the geometry factor Go as of the gas.
  • Such a sensor structure fulfills both of the above-mentioned conditions and is suitable for the absolute measurement of the thermal conductivity and more generally a heat transfer between the heat source and the medium.
  • the use of two heat sources and corresponding media is advantageous compared to the use of only one sensor element, because the use of two sensor elements enables a more robust design than can be used for previously known micromechanical sensors, and the known sensor elements had the need to dissipate heat via the Dimension brackets as small as possible. Therefore, these brackets were usually made very thin and long and therefore not very robust. Since the size of the heat dissipation via the brackets or via the fastening means does not have a negative influence on the sensor signal in the case of differential measurements, it is possible according to the invention to choose a more robust design of the sensor elements without having to fear disadvantages in terms of measurement accuracy.
  • a sensor system according to the invention • is possible that evaluates the two signals of the sensor elements, both separately and as a differential signal or sum signal therefrom and closes, if both sensor elements are still functional or not.
  • This is advantageous, for example, for thermal conductivity sensors, which are required in large quantities in Zul ⁇ inft for use in hydrogen-powered vehicles.
  • Hydrogen has a very high thermal conductivity compared to air and can therefore be easily detected with a thermal conductivity sensor. Since there are dangers involved in handling hydrogen, detection of hydrogen with a self-test option in a sensor according to the invention is safer than without the self-test option.
  • the second heat coupling and the fourth heat coupling are provided essentially the same. Then, when forming the difference between the output signals of the two sensor elements, the portions of the heat transfer that flow over the brackets or the fastening means just lift out.
  • first heat source and the first fastening means are monolithically integrated in a first substrate, in particular manufactured using micromechanical technology
  • the second heat source and the second fastening means are monolithically integrated in a second substrate, in particular using micromechanical technology manufactured.
  • first substrate and the second substrate are provided in a monolithically integrated manner. This in turn results in cost savings and an improvement in the long-term stability of the sensor according to the invention.
  • bars are provided as the first fastening means and as the second fastening means. As a result, the proportion of the amount of heat transferred via the fastening means is reduced particularly strongly.
  • a further advantage is that the beams of relatively 'low thermally conductive material are provided. This further reduces the amount of heat transferred through the fasteners.
  • Figure 1 is a schematic representation of the various heat losses of a sensor shown in micromechanics according to the prior art
  • ⁇ Figure 2 is a schematic representation of a suspended membrane
  • Figure 3 shows an alternative for the realization of a recess
  • Figure 4 shows a possible implementation of the sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the various heat losses of a sensor shown in micromechanics using the example of a sensor according to the prior art.
  • a membrane 130 is formed on a substrate 120, a heater 140 being located in the area of the membrane 130.
  • the entire sensor is designated by reference number 110.
  • the first possible path of heat losses in FIG. 1 is the heat loss along the membrane 130 provided with the reference number 510.
  • the one with the Reference numeral 520 denotes heat loss in the form of radiation, the heat loss designated by reference numeral 530 as a result of convection and the heat loss indicated by reference numeral 540 in the form of heat conduction between the heater 140 and the surrounding gas.
  • the heat losses 510, 520, 530, 540 are shown in FIG. 1 as arrows starting from the heater 140, although, for example, the radiation 520 is not to be thought exclusively in the direction of the arrow with the reference symbol 520, but in a physically sensible manner.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a sensor according to the invention with a suspended membrane.
  • the sensor itself is provided with the reference number 10 and comprises a membrane layer 34 on a substrate 20, the suspended membrane 36 being provided within the membrane layer 34 and fastening means 35 being provided which fix or suspend a suspended part of the membrane layer 34 provided with the reference number 36 . hold. Below the suspended membrane 36 there is an area 25 removed from the substrate 20.
  • the sensor 10 according to the invention is shown in a sectional view along the section line AA and in the lower part of FIG. 2 is a plan view of the sensor 10 shown.
  • the beams 35 serving as a suspension for the suspended membrane region 36 are provided as fastening means for the suspended membrane region 36 and are connected to the suspended membrane region 36 on the basis of a frame designated by reference number 33, which according to the invention is provided in particular as part of the membrane layer 34.
  • a frame designated by reference number 33 which according to the invention is provided in particular as part of the membrane layer 34.
  • the frame 33 provision is made in particular for the frame 33 to be essentially square, for the suspended membrane region 36 also to be essentially square, for the frame 33 and the suspended membrane region 36 to be aligned with one another such that their edges are essentially parallel or orthogonal to one another (ie not twisted) ) and four bars 35 from an inner corner of the frame 33 to the nearest outer corner of the suspended membrane area 36.
  • membrane region 36 is produced, for example, by means of anisotropic etching or by means of sacrificial layer etching.
  • the recess 25 shown in the upper part in FIG. 2 is provided by means of anisotropic etching and the recess 25 shown in FIG. 3 is provided by means of sacrificial layer etching.
  • FIG. 3 shows a sectional view through the sensor 10 according to the invention, the same reference numerals from FIG. 2 corresponding to the same components of the sensor 10 according to the invention.
  • a heater 40 is provided, which is located in the suspended membrane area 36. It is provided according to the invention to manufacture the sensor 10 according to the invention and here in particular the membrane layer 34 or the suspended membrane region 36 in bulk micromechanics. Alternatively, it is also possible according to the invention to provide the membrane layer 34 and the recess 25 in surface micromechanics.
  • the suspended membrane 36 is heated by means of the heater 40. This creates an overtemperature in relation to the environment.
  • the excess temperature is also referred to below as ⁇ T.
  • a good heat conductor such as silicon, is used in particular according to the invention as the membrane material.
  • a material with a lower thermal conductivity than the thermal conductivity of the suspended membrane 36 is preferably selected for the fastening means of the suspended membrane region 36, which are provided according to the invention in particular in the form of bars 35. This prevents a temperature profile from forming over the suspended membrane area 36, which would make it difficult to determine the set excess temperature precisely.
  • the heating and the temperature measurement on the suspended membrane area 36 can be implemented, for example, with the aid of resistors structured in platinum. If two such sensors are now used according to the invention, which differ only in the size of the heated surface, ie in the size of the suspended membrane area 36, and these two sensors according to the invention are connected such that they For example, in a Wheatstone bridge circuit, an output signal is obtained which is only determined by the thermal conductivity of the surrounding gas. This is indicated in Figure 4.
  • FIG. 4 shows on the left side a first sensor 10a according to the invention and on the right side a sensor 10b according to the invention, both sensors 10a, 10b being shown in plan view and together forming a sensor arrangement 11 according to the invention.
  • FIG. 4 shows for both sensors 10a, 1 whether the frame area 33, the bars 35a, 35b, the suspended membrane area 36a, 36b, the heater 40a, 40b and the recessed area 25 of the substrate 20.
  • the length of one of the beams 35a, 35b serving as fastening means 35a, 35b is denoted by a double arrow 37 in FIG.
  • the first sensor 10a shown on the left-hand side of FIG.
  • the first heater 40a includes its heater 40a, which is referred to as the first heater 40a, and the bars 35a as the first fastening means 35a.
  • the first heater 40a and the first membrane region 36a are referred to as the first heat source 36a.
  • the gas which is not designated by a reference symbol in FIG. 4 and to which heat is emitted via the first heater 40a and the suspended first membrane region 36a, is located both above the suspended first membrane region 36a or the first heater 40a and below the suspended first membrane region 36a in the cavern 25 or in the recessed area 25 of the substrate 20 for the first sensor 10a. This gas, which is located in the first sensor 10a (on the left side of FIG. 4), is also referred to below as the first medium.
  • a second sensor 10b is shown on the right-hand side of FIG. 4, with the second sensor 10b also showing a heater 40b, referred to as second heater 40b, on a suspended second membrane region 36b, which is connected to a frame 33 by means of bars 35b serving as second fastening means 35b of the second sensor 10b is attached.
  • the area of the suspended second membrane region 36b is smaller in the second sensor 10b than in the first sensor 10a.
  • the bars 35b of the second sensor 10b are in particular of the same length as in the first sensor 10a, which results from the length shown and provided with the reference number 37.
  • the recessed area 25 or the cavern 25 and the frame area 33 of the second sensor 10b ldeiner is generally also formed according to the invention.
  • the length of the beams 35a, 35b of the first and second sensors 10a, 10b do not necessarily have to have the same length. It is important that the ratio of the bar length to the bar cross-section of both sensors is identical. From a manufacturing point of view, however, it is easiest and most stable to process equal lengths to produce the same lengths.
  • the second heater 40b in the second sensor 10b is also referred to below as the second heat source 36b together with the second membrane region 36b.
  • the gas surrounding the suspended membrane region 36b of the second sensor 10b is referred to as the second medium.
  • the suspended membrane region 36a of the first sensor 10a thermally couples to the first medium with a first heat coupling and thermally couples to the bars 35a designated as first fastening means 35a by means of a second heat coupling.
  • the suspended second membrane region 36b shown on the right-hand side of FIG. 4 couples as part of the second heat source 36b thermally to the second medium with a third heat coupling and thermally to its bars 35b referred to as second fastening means by means of a fourth heat coupling.
  • the first and the third heat coupling ie the heat coupling between the suspended first membrane region 36a of the first sensor 10a and the first medium
  • the heat coupling between the second suspended membrane region 36b of the second sensor 10b and the second medium differ.
  • the areas of the suspended membrane areas 36a, 36b and also the respective areas of the heaters 40a, 40b are different, in particular of different sizes, in the first sensor 10a and in the second sensor 10b.
  • a sensor arrangement 11 according to the invention can then be produced by a difference signal from the interconnection of the first sensor 10a and the second sensor 10b Heat transfer from the suspended membrane area 36a, 36b to the beams 35a, 35b between the first sensor 10a and the second sensor 10b just lifts away. It is important here that both sensors 35 a, 35 b are operated at the same overtemperature. Otherwise the heat dissipation via the membrane suspensions is not identical. According to the invention, all heat losses that are not caused by the heat dissipation by the gas cancel each other out.
  • first and second membrane regions 36a, 36b are provided in a single membrane layer 34, as shown in FIGS. 2 and 3, in the monolithic integration of the first sensor 10a and the second sensor 10b in the same substrate.
  • An example of such an interconnection is the interconnection of the first sensor 10a and the second sensor 10b in a Wheatstone bridge, so that the output signal is only determined by the thermal conductivity of the surrounding gas, the surrounding gas in the area of the first sensor 10a being that is referred to as the first medium and is referred to in the area of the second sensor 10b as the second medium, but chemically and physically the first medium and the second medium are to be regarded as the same.
  • the advantage according to the invention is that the sensor arrangement responds quickly in the range of milliseconds and has a low heating output of a few milliwatts, which is necessary for the formation of the temperature difference. Furthermore, it is possible according to the invention to integrate the evaluation electronics in the sensor chip directly and to integrate the first sensor 10a and the second sensor 10b together on a semiconductor substrate 20.

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Abstract

Es wird eine Sensoranordnung mit einer ersten Wärmequelle (36a) und mit einer zweiten Wärmequelle (36b) vorgeschlagen, wobei deren Wärmekopplungen an ein Medium jeweils unterschiedlich gross vorgesehen sind.

Description

Sensor und Verfahren
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Methode der Wärmeleitfähigkeitsmessung für die Gasanalyse ist ein bekanntes Verfahren. Hierbei können beispielsweise quantitative Analysen zweikomponentiger Gasgemische durchgeführt werden, deren Komponenten bekannt sind. Um die Wärmeleitfähigkeit von Gasen zu bestimmen, benutzt man im allgemeinen einen beheizten Körper, dessen Wärmeverluste zum größten Teil durch Wärmeableitung durch das umgebende Gas bestimmt sind. Damit wird die Heizleistung P, die notwendig ist, um den Körper auf eine bestimmte Temperatur mit einer Temperaturdifferenz gegenüber der Umgebungstemperatur zu bringen, zu einem direkten Maß der Wärmeleitfähigkeit des den Körper umgebenden Gases.
Dielektrische Membranen, die durch Silizium-MÜCTomechanik-Prozesse erzeugt werden, können vorteilhaft als Grundlage für Heizwiderstände dienen, da sie eine geringe Ansprechzeit, eine geringe Größe und eine mittels Batch-Prozessen durchfiihrbare Herstellbarkeit aufweisen.
Als Messsignal eines Wäπneleitfähigkeitssensors wird im allgemeinen entweder die Änderung des Heizerwiderstandes unter dem Einfiuss von Gasen unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit ausgewertet, wobei die Heizleistung konstant gehalten wird, oder der Heizerwiderstand wird auf einen konstanten Wert, d.h. eine konstante Temperatur, geregelt und als das Messsignal die dazu benötigte Leistung ausgewertet. Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass das Sensorsignal in stärkerem Maße nur von der Wärmeleitfähigkeit des den beheizten Körper umgebenden Gases abhängt. Allgemeiner gesprochen besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass das Sensorsignal im Wesentlichen nur von dem Wärmeübergang zwischen dem beheizten Körper zu dem umgebenden Gas abhängt. Ein Problem bei der Auswertung von Sensoren gemäß dem Stand der Technik besteht darin, dass das Sensorsignal der bekannten Wärmeleitfähigkeitssensoren nicht nur von der Wärmeleitfähigkeit des den beheizten Körper umgebenden Gases, sondern auch von der Wärmeableitung über die Halterungen des beheizten Körpers und von der Strahlung abhängt. Für einen Wärmeleitfähigkeitssensor mit dielektrischer Membran ist dieser Sachverhalt in Figur 1 dargestellt. Die Heizleistung P, die benötigt wird, um den beheizten Körper auf eine Übertemperatur von ΔT zu heizen, lässt sich vereinfacht schreiben als
P = ÖGas * λ-Q s * ΔT + GMembran * λMembran * ΔT + Δx
Hierbei bezeichnen λGas und λMembπm die Wärmeleitfähigkeiten des Gases bzw. der Membran. GGas und GMembran bezeichnen die dazu gehörigen Geometriefaktoren und Δx bezeichnet die Wärmeverluste aufgrund von Konvektion und Strahlung, die meist vernachlässigt werden können. Diese Formel bringt deutlich zum Ausdruck, dass eine absolute Messung der Wärmeleitfähigkeit nur dann möglich ist, wenn die Wärmeverluste, die nicht durch Wärmeleitung durch das umgebende Gas hervorgerufen sind, bekannt sind oder zu einem vernachlässigbaren Anteil reduziert werden können und der Geometriefaktor GGaS bekannt ist. Bei den bekannten Wärmeleitfähigkeitssensoren des Standes der Technik sind diese Bedingungen jedoch nicht erfüllt, weil beispielsweise die Wämieverluste, die nicht durch die Wänneleitung an das umgebende Gas hervorgerufen sind, mit der Wärmeabgabe an das Gas vermischt werden. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, ein geeignetes robustes Sensorelement vorzuschlagen, mit dessen Hilfe eine schnelle Absolutmessung der Wärmeleitfähigkeit eines Gases möglich ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass unabhängig von der Wärmeleitfähigkeit eines Gases ganz generell mittels des erfindungsgemäßen Sensors bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens die Absolutmessung generell eines Wärmeübertrags zwischen einer Wärmequelle und einem diese Wärmequelle umgebenden Medium möglich ist. Dies wird erfmdungsgemäß durch die Auswertung eines Differenzsignals von zwei parallel betriebenen Wärmequellen und entsprechenden Medien möglich, wobei das Differenzsignal nicht von der Wärmeableitung durch die Membran abhängt, sondern nur von der Wärmeableitung zum umgebenden Gas, der Übertemperatur und dem Geometriefaktor Goas des Gases. Ein solcher Sensoraufbau erfüllt beide obengenannten Bedingungen und ist für die Absolutmessung der Wärmeleitfähigkeit und genereller eines Wärmeübertrags zwischen Wärmequelle und Medium geeignet-
Weiterhin ist die Verwendung von zwei Wärmequellen und entsprechenden Medien gegenüber der Verwendung von nur einem Sensorelement vorteilhaft, weil durch die Verwendung zweier Sensorelemente sich eine robustere Bauform als für bislang bekannte mikromechanische Sensoren verwenden lässt, dabei den bekannten Sensorelementen die Notwendigkeit bestand, die Wärmeableitung über die Halterungen möglichst gering zu dimensionieren. Daher wurden diese Halterungen meist sehr dünn und lang und damit wenig robust ausgeführt. Da die Größe der Wärmeableitung über die Halterungen bzw. über die Befestigungsmittel bei Differenzmessungen keinen negativen Einfluss auf das Sensorsignal hat, ist es erfindungsgemäß möglich, eine robustere Bauform der Sensorelemente zu wählen, ohne Nachteile bei der Messgenauigkeit befürchten zu müssen. Weiterhin ist erfindungsgemäß von Vorteil, dass Prozessschwankungen, die zur Variation der Dicke der Halterungen bzw. der Befestigungsmittel und damit zur Variation ihrer Wärmeleitfähigkeit führen, bei dem erfindungsgemäßen Sensor viel weniger ins Gewicht fallen. Bei der Verwendung lediglich eines einzelnen Sensorelementes muss darüber hinaus die Wärmeableitung über die Halterungen kontrolliert und abgeglichen werden, was bei dem erfindungsgemäßen Sensor nicht notwendig ist. Dies führt bei den Sensoren gemäß dem Stand der Technik zu erhöhten Anforderungen an die Reproduzierbarkeit der Herstellung, beispielsweise was die Dicke der Membranen und Halterungsmaterialien angeht und was deren thermische Eigenschaften angeht. Diese Parameter müssen bei der Herstellung solcher mikromechanischer Strukturen gut kontrollierbar und einstellbar sein, was die Anforderungen an den Produktionsprozess erhöht und diesen verteuert. All dies ist bei einem erfindungsgemäßen Sensor unkritischer und damit kostengünstiger lösbar. Insbesondere bei der gemeinsamen Herstellung von zwei Sensorelementen in einem Batch-Prozess führen Prozessschwankungen aufgrund der Differenzbildung zu keiner Änderung im Ausgangssignal. Die gleiche Überlegung hinsichtlich der Vorteile des erfindungsgemäßen Sensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich hinsichtlich der Lebensdauer des Sensors anstellen, insbesondere wenn sich das Halterungsmaterial für die Wärmequelle über die Lebensdauer verändert. Bei der Benutzung eines einzigen Sensorelementes gemäß dem Stand der Technik kann beispielsweise eine Verschmutzung der Halterungen zu einer veränderten Wärmeableitung über die Halterungen führen, was letztlich zu einer Verfälschung des Sensorsignals führt, während bei der erfindungsgemäßen Verwendung zweier Sensorelemente, die den gleichen Bedingungen und somit Alterungserscheinungen ausgesetzt sind, keine Verfälschung des Ausgangssignals auftritt. Weiterhin ist erfindungsgemäß von Vorteil, dass bei der Verwendung von zwei Sensorelementen Sicherheitsanwendungen möglich sind. Beispielhaft sei hier die Wasserstoffdetelction im Sinne von Redundanzüberlegungen genannt. Beispielsweise- ist ein Sensorsystem • erfindungsgemäß möglich, welches die beiden Signale der Sensorelemente sowohl getrennt als auch als Differenzsignal oder Summensignal auswertet und hieraus schließt, ob beide Sensorelemente noch funktionsfähig sind oder nicht. Vorteilhaft ist dies beispielsweise für Wärmeleitfähigkeitssensoren, die in Zulαinft in großen Stückzahlen für den Einsatz in wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen benötigt werden. Wasserstoff hat eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Luft und lässt sich somit mit einem Wärmeleitfähigkeitssensor gut detelctieren. Da der Umgang mit Wasserstoff Gefahren in sich birgt, ist eine Detektion von Wasserstoff mit einer Selbsttestmöglichkeit bei einem erfindungsgemäßen Sensor sicherer als ohne die Selbsttestmöglichkeit.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Sensors bzw. des Verfahrens möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass die zweite Wärmekopplung und die vierte Wärmekopplung im Wesentlichen gleich vorgesehen sind. Dann heben sich bei der Differenzbildung der Ausgangssignale der beiden Sensorelemente die Anteile des Wärmeübertrags, die über die Halterungen bzw. die Befestigungsmittel fließen, gerade heraus.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die erste Wännequelle und die ersten Befestigungsmittel in einem ersten Substrat monolithisch integriert, insbesondere in Mikromechanik- Technologie hergestellt, vorgesehen sind und dass die zweite Wärmequelle und die zweiten Befestigungsmittel in einem zweiten Substrat monolithisch integriert, insbesondere in Mikromechanik-Technologie hergestellt, vorgesehen sind. Hierdurch ist es möglich, den erfindungsgemäßen Sensor besonders kostengünstig und mit einer besonders geringen Drift hinsichtlich seiner Lebensdauer vorzusehen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das erste Substrat und das zweite Substrat monolithisch integriert vorgesehen sind. Hierdurch ergeben sich wiederum Kosteneinsparungsmöglichlceiten und eine Verbesserung der Langzeitstabilität des erfindungsgemäßen Sensors.
Weiterhin ist von Vorteil, dass als erste Befestigungsmittel und als zweite Befestigungsmittel Balken vorgesehen sind. Hierdurch wird der Anteil der über die Befestigungsmittel übertragenen Wärmemenge besonders stark reduziert.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die Balken aus vergleichsweise 'gering wärmeleitfähigem Material vorgesehen sind. Dies verringert weiter die über die Befestigungsmittel übertragene Wärmemenge.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung der verschiedenen Wärmeverluste eines in Mikromechanik dargestellten Sensors nach dem Stand der Technik, ■ Figur 2 eine schematische Darstellung einer aufgehängten Membran, Figur 3 eine Alternative für die Realisierung einer Vertiefung und Figur 4 eine mögliche Realisierungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Sensors.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
h Figur 1 ist am Beispiel eines Sensors gemäß dem Stand der Technik eine schematische Darstellung der verschiedenen Wämieverluste eines in Mikromechanik dargestellten Sensors gezeigt. Eine Membran 130 ist auf einem Substrat 120 ausgebildet, wobei sich im Bereich der Membran 130 ein Heizer 140 befindet. Der gesamte Sensor ist mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnet. Ausgehend von dem Heizer 140 ist in Figur 1 als erster ■ möglicher Pfad von Wärmeverlusten der mit dem Bezugszeichen 510 versehene Wärmeverlust entlang der Membran 130 dargestellt. Weiterhin ist der mit dem Bezugszeichen 520 bezeichnete Wärmeverlust in Form von Abstrahlung, der mit dem Bezugszeichen 530 versehene Wärmeverlust als Folge von Konvektion und der mit dem Bezugszeichen 540 versehene Wärmeverlust in Form von Wärmeleitung zwischen dem Heizer 140 und dem umgebenden Gas dargestellt. Die Wäremeverluste 510, 520, 530, 540 sind in Figur 1 als Pfeile ausgehend von dem Heizer 140 dargestellt, wobei jedoch beispielsweise die Abstrahlung 520 nicht ausschließlich in die Richtung des Pfeils mit dem Bezugszeichen 520 zu denken ist, sondern in einer physikalisch sinnvollen Weise.
In Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer aufgehängten Membran dargestellt. Der Sensor selbst ist mit dem Bezugszeichen 10 versehen und umfasst auf einem Substrat 20 eine Membranschicht 34, wobei innerhalb der Membranschicht 34 die aufgehängte Membran 36 vorgesehen ist und Befestigungsmittel 35 vorgesehen sind, die einen mit dem Bezugszeichen 36 versehenen aufgehängten Teil der Membranschicht 34 fixieren bzw. halten. Unterhalb der aufgehängten Membran 36 befindet sich ein aus dem Substrat 20 herausgenommener Bereich 25. Im oberen Bereich der Figur 2 ist der erfindungs gemäße Sensor 10 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A dargestellt und im unteren Teil der Figur 2 ist eine Draufsicht auf den Sensor 10 dargestellt. Hierbei sind die als Aufhängung für den aufgehängten Membranbereich 36 dienenden Balken 35 als Befestigungsmittel für den aufgehängten Membranbereich 36 vorgesehen und ausgehend von einem mit dem Bezugszeichen 33 bezeichneten Rahmen, der erfmdungsgemäß insbesondere als Teil der Membranschicht 34 vorgesehen ist, mit dem aufgehängten Membranbereich 36 verbunden. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, den Rahmen 33 im Wesentlichen quadratisch vorzusehen, den aufgehängten Membranbereich 36 ebenfalls im Wesentlichen quadratisch vorzusehen, den Rahmen 33 und den aufgehängten Membranbereich 36 derart gegeneinander auszurichten, dass deren Kanten im Wesentlichen parallel bzw. orthogonal zueinander stehen (d.h. nicht verdreht) und vier Balken 35 von jeweils einer inneren Ecke des Rahmens 33 zur nächstgelegenen äußeren Ecke des aufgehängten Membranbereichs 36 vorzusehen. Alternativ ist erfindungsgeniäß selbstverständlich auch vorgesehen, entweder den Rahmenbereich 33 oder den aufgehängten Membranbereich 36 oder beide im Wesentlichen mnd vorzusehen, oder den Rahmenbereich 33 und den aufgehängten Membranbereich 36 zwar im Wesentlichen quadratisch, jedoch gegeneinander verdreht vorzusehen und die Balken 35 nicht von den Ecken, sondern beispielsweise der Mitte der Kanten des Membranbereichs 36 und/oder des Rahmens 33 ausgehen zu lassen. Die Ausnehmung 25 unterhalb des aufgehängten Membranbereichs 36 ist erfindungsgemäß beispielsweise mittels anisotropem Ätzen oder mittels Opferschichtätzen hergestellt. Die in der Figur 2 im oberen Teil dargestellte Ausnehmung 25 ist mittels anisotropem Ätzen vorgesehen und die in Figur 3 dargestellte Ausnehmung 25 ist mittels Opferschichtätzen vorgesehen.
In Figur 3 ist wie im oberen Bereich der Figur 2 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Sensor 10 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen aus der Figur 2 gleichen Komponenten des erfindungsgemäßen Sensors 10 entsprechen.
Sowohl in Figur 2 als auch in Figur 3 ist ein Heizer 40 vorgesehen, der im aufgehängten Membranbereich 36 lokalisiert ist. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, den erfindungsgemäßen Sensor 10 und hier insbesondere die Membranschicht 34 bzw. den aufgehängten Membranbereich 36 in Bulk-Mikromechanik herzustellen. Alternativ ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Membranschicht 34 und die Ausnehmung 25 in Oberflächen-Mikromechanik vorzusehen.
Unabhängig von der Herstellungstechnologie und den geometrischen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors 10 wird im Folgenden dessen Funktionalität beschrieben:
Die aufgehängte Membran 36 wird mittels des Heizers 40 beheizt. Hierdurch entsteht eine Übertemperatur gegenüber der Umgebung. Die Übertemperatur wird im Folgenden auch mit ΔT bezeichnet. Um eine konstante Übertemperatur zwischen beheizter Membran, d.h. der aufgehängten Membran 36, und der Umgebung zu erhalten, verwendet man als Membranmaterial erfindungsgemäß insbesondere einen guten Wärmeleiter, wie beispielsweise Silizium. Für die Befestigungsmittel des aufgehängten Membranbereichs 36, die erfindungsgemäß insbesondere in Form von Balken 35 vorgesehen sind, wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit als die Wärmeleitfähigkeit der aufgehängten Membran 36 gewählt. Dadurch wird verhindert, dass sich über dem aufgehängten Membranbereich 36 ein Temperaturprofil ausbildet, das die genaue Ermittlung der eingestellten Übertemperatur erschweren würde. Die Heizung und die Temperaturmessung auf dem aufgehängten Membranhereich 36 lässt sich dabei z.B. mit Hilfe von in Platin strukturierten Widerständen realisieren. Werden nun erfindungsgemäß zwei solcher Sensoren verwendet, die sich lediglich in der Größe der beheizten Fläche, d.h. in der Größe des aufgehängten Membranbereichs 36, unterscheiden und werden diese beiden erfindungsgemäßen Sensoren derart verschaltet, dass sie beispielsweise in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung Verwendung finden, so erhält man ein Ausgangssignal, welches nur durch die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases bestimmt ist. Dies ist in Figur 4 angedeutet.
Figur 4 zeigt auf der linken Seite einen ersten erfϊndungsgemäßen Sensor 10a und auf der rechten Seite einen erfindungsgemäßen Sensor 10b, wobei beide Sensoren 10a, 10b in Draufsicht dargestellt sind und zusammen eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 11 bilden. Somit ist in Figur 4 für beide Sensoren 1 Oa, 1 Ob der Rahmenbereich 33, die Balken 35a, 35b, der aufgehängte Membranbereich 36a, 36b, der Heizer 40a, 40b und der ausgenommene Bereich 25 des Substrats 20 dargestellt. Weiterhin ist in Figur 4 für beide Sensoren 10a, 10b die Länge jeweils eines der als Befestigungsmittel 35a, 35b dienenden Balken 35a, 35b mit einem Doppelpfeil 37 bezeichnet. Der erste Sensor 10a, auf der linken Seite der Figur 4 abgebildet, u fasst seinen als ersten Heizer 40a bezeichneten Heizer 40a und die Balken 35a als erste Befestigungsmittel 35a. Als erste Wärmequelle 36a wird der erste Heizer 40a und der erste Membranbereich 36a bezeichnet. Das in Figur 4 nicht mit einem Bezugszeichen bezeichnete Gas, an welches über den ersten Heizer 40a und den aufgehängten ersten Membranbereich 36a Wärme abgegeben wird, befindet sich sowohl oberhalb des aufgehängten ersten Membranbereichs 36a bzw. des ersten Heizers 40a als auch unterhalb des aufgehängten ersten Membranbereichs 36a in der Kaverne 25 bzw. in dem ausgenommenen Bereich 25 des Substrats 20 für den ersten Sensor 10a. Dieses Gas, welches sich im ersten Sensor 10a (auf der linken Seite der Figur 4) befindet, wird im Folgenden auch als erstes Medium bezeichnet.
Auf der rechten Seite der Figur 4 ist ein zweiter Sensor 10b dargestellt, wobei beim zweiten Sensor 10b ebenfalls ein als zweiter Heizer 40b bezeichneter Heizer 40b auf einem aufgehängten zweiten Membranbereich 36b dargestellt ist, welcher mittels als zweite Befestigungsmittel 35b dienende Balken 35b an einem Rahmen 33 des zweiten Sensors 10b befestigt ist. Die Fläche des aufgehängten zweiten Membranbereichs 36b ist beim zweiten Sensor 10b geringer als beim ersten Sensor 10a. Die Balken 35b des zweiten Sensors 10b sind jedoch erfindungsgemäß insbesondere gleich lang wie beim ersten Sensor 10a, was sich aus der dargestellten und mit dem Bezugszeichen 37 versehenen Länge ergibt. Aufgrund der kleineren Fläche des aufgehängten Membranbereichs 36b beim zweiten Sensor 10b ist erfindungsgemäß in der Regel auch der ausgenommene Bereich 25 bzw. die Kaverne 25 und der Rahmenbereich 33 des zweiten Sensors 10b ldeiner ausgebildet. Die Länge der Balken 35a, 35b des ersten und zweiten Sensors 10a, 10b müssen jedoch nicht notwendigerweise die gleiche Länge, aufweisen. Wichtig ist, dass das Verhältnis der Balkenlänge zum Balkenquerschnitt beider Sensoren identisch ist. Fertigungstechnisch ist es jedoch die sichere Herstellung gleicher Längen am einfachsten bzw. am stabilsten hinsichtlich Prozessschwankungen. Der zweite Heizer 40b beim zweiten Sensor 10b wird im Folgenden zusammen mit dem zweiten Membranbereich 36b auch als die zweite Wärmequelle 36b bezeichnet. Weiterhin wird als zweites Medium das den aufgehängten Membranbereich 36b des zweiten Sensors 10b umgebende Gas bezeichnet.
Der aufgehängte Membranbereich 36a des ersten Sensors 10a koppelt als Teil der ersten Wärmequelle 36a thermisch an das erste Medium mit einer ersten Wärmekopplung und koppelt thermisch mittels einer zweiten Wärmekopplung an die als erste Befestigungsmittel 35a bezeichneten Balken 35a an. Der auf der rechten Seite der Figur 4 dargestellte aufgehängte zweite Membranbereich 36b koppelt als Teil der zweiten Wärmequelle 36b mit einer dritten Wärmekopplung thermisch an das zweite Medium und mittels einer vierten Wärmekopplung thermisch an seine als zweite Befestigungsmittel bezeichneten Balken 35b an. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die erste und die dritte Wärmekopplung, d.h. die Wärmekopplung zwischen dem aufgehängten ersten Membranbereich 36a des ersten Sensors 10a zum ersten Medium und die Wärmekopplung zwischen dem zweiten aufgehängten Membranbereich 36b des zweiten Sensors 10b zum zweiten Medium unterscheidet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch realisiert, dass sich die Flächen der aufgehängten Membranbereiche 36a, 36b bzw. auch die jeweilige Flächen der Heizer 40a, 40b beim ersten Sensor 10a und beim zweiten Sensor 10b unterschiedlich, insbesondere unterschiedlich groß, ausgeprägt sind. Bei einem Vergleich der den beiden Sensoren 10a, 10b zugeführten Wärmeleistungen bei ansonsten gleichen Temperatur- und Stoffbedingungen, d.h. Stoffzusa mensetzungen, des ersten Mediums und des zweiten Mediums kann dadurch auf die Wärmeleitfähigkeit des das erste und zweite Medium bildende Medium geschlossen werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die zweite Wärmekopplung, d.h. die Wärmekopplung zwischen dem aufgehängten ersten Membranbereich 36a und den ersten Balken 35a gegenüber der vierten Wärmekopplung, d.h. der Wärmekopplung zwischen dem aufgehängten zweiten Membranbereich 36b des zweiten Sensors 10b und den zweiten Balken 35b möglichst gleich vorgesehen sind. Dann kann durch ein Differenzsignal aus der Zusammenschaltung des ersten Sensors 10a und des zweiten Sensors 10b eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 11 hergestellt werden, wobei sich der Wärmeübergang von dem aufgehängten Membranbereich 36a, 36b zu den Balken 35a, 35b zwischen dem ersten Sensor 10a und dem zweiten Sensor 10b gerade weghebt. Wichtig ist hierbei, dass beide Sensoren 35 a, 35b bei der gleichen Übertemperatur betrieben werden. Ansonsten ist die Wärmeableitung über die Membranaufhängungen nicht identisch. Erfindungsgemäß heben sich alle Wärmeverluste, die nicht durch die Wärmeableitung durch das Gas verursacht sind, gegenseitig auf.
Erfindungsgemäß ist es auch vorgesehen, bei der monolithischen Integration des ersten Sensors 10a und des zweiten Sensors 10b in demselben Substrat den ersten bzw. zweiten Membranbereich 36a, 36b in einer einzigen Membranschicht 34, wie in Figuren 2 und 3 in Schnittdarstellung dargestellt, vorzusehen.
Ein Beispiel für eine solche Zusammenschaltung ist die Verschalrung des ersten Sensors 10a und des zweiten Sensors 10b in einer Wheatstone' sehen Brücke, sodass das Ausgangssignal nur durch die Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Gases bestimmt ist, wobei das umgebende Gas im Bereich des ersten Sensors 10a als das erste Medium bezeichnet wird und im Bereich des zweiten Sensors 10b als das zweite Medium bezeichnet wird, chemisch und physikalisch das erste Medium und das zweite Medium jedoch als gleich aufzufassen sind.
Durch das erfindungs gemäße Auswerten von zwei erfindungsgemäßen Sensoren 10a, 10b gleichzeitig ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil einer schnellen Ansprechzeit der Sensoranordnung im Bereich von Millisekunden und einer geringen Heizleistung von einigen Milliwatt, die für die Ausbildung der Temperaturdifferenz notwendig ist. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, die Auswerteeleldxonik im Sensorchip direkt zu integrieren und den ersten Sensor 10a und den zweiten Sensor 10b gemeinsam auf einem Halbleitersubstrat 20 zu integrieren.

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung (11) mit einer ersten Wärmequelle (36a), einem ersten Medium und ersten Befestigungsmitteln (35 a), wobei die erste Wärmequelle (36a) mit dem ersten Medium über eine erste Wärmekopplung thermisch gekoppelt ist, wobei die erste Wännequelle (36a) an den ersten Befestigungsmitteln (35 a) befestigt ist und wobei zwischen der ersten Wärmequelle (36a) und den ersten Befestigungsmitteln (35a) eine zweite Wärmekopplung vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (11) eine zweite Wärmequelle (36b), ein zweites Medium und zweite Befestigungsmittel (35b) umfasst, wobei die zweite Wärmequelle (36b) mit dem zweiten Medium über eine dritte Wärmekopplung thermisch gekoppelt ist, wobei die zweite Wärmequelle (36b) an den zweiten Befestigungsmitteln (35b) befestigt ist und wobei zwischen der zweiten Wärmequelle (36b) und den zweiten Befestigungsmitteln (35b) eine vierte Wärmekopplung vorliegt, wobei die erste Wärmekopplung und die dritte Wärmekopplung unterschiedlich vorgesehen sind.
2. Sensoranordnung (11) nach Anspmch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmekopplung und die vierte Wärmekopplung im Wesentlichen gleich vorgesehen sind.
3. Sensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmequelle (36a) und die ersten Befestigungsmittel (35a) in einem ersten Substrat (20) monolithisch integriert, insbesondere in Milαromechanik-Teclinologie hergestellt, vorgesehen sind und dass die zweite Wärmequelle (36b) und die zweiten Befestigungsmittel (35b) in einem zweiten Substrat (20) monolithisch integriert, insbesondere in Mikromechanik-Technologie hergestellt, vorgesehen sind.
4. Sensoranordnung (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat (20) und das zweite Substrat (20) monolithisch integriert vorgesehen ist.
5. Sensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wärmequelle (36a, 36b) in einer einzigen Membranschicht (34) vorgesehen sind.
6. Sensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Befestigungsmittel (35 a) und als zweite Befestigungsmittel (35b) Balken (35) vorgesehen sind.
7. Sensoranordnung (11) nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Balken (35 a, 35b) aus vergleichsweise gering wärmeleitfähigem Material, insbesondere aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, vorgesehen sind.
8. Sensoranordnung (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (11) zur Wärmeleitfähigkeitsmessung des ersten und des zweiten Mediums vorgesehen ist.
9. Verfahren zur Messung des Wärmeübertrags zwischen einer ersten Wärmequelle (36a) und einem ersten Medium und zwischen einer zweiten Wärmequelle (36b) und einem zweiten Medium, wobei die erste Wärmequelle (36a) mit dem ersten Medium über eine erste Wärmekopplung thermisch gekoppelt ist, wobei die zweite Wännequelle (36b) mit dem zweiten Medium über eine dritte Wärmekopplung thermisch gekoppelt ist, wobei die erste Wärmekopplung und die dritte Wärmekopplung unterschiedlich vorgesehen sind.
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